CN220289959U - 一种多焦面光学成像系统 - Google Patents

Abstract

本公开属于光学成像装置领域，具体而言涉及一种多焦面光学成像系统，包括：第一光路，由第一光源发出光线穿过偏振分光片后，经过第一透镜组的折射形成；所述第一光源朝向第一方向设置且发出P偏振光，所述偏振分光片的第一面与所述第一光源相对设置，所述第一透镜组与所述偏振分光片相对设置；第二光路，由第二光源发出的光线通过偏振分光片反射后，经过第一透镜组的折射形成；所述第二光源朝向第二方向设置且发出S偏振光，所述偏振光的第二面与所述第二光源相对设置。通过上述设置提供多焦距图像提升使用体验，包括缓解近视以及提升虚拟显示结合的成像效果。

Description

一种多焦面光学成像系统

技术领域

本公开属于光学成像装置领域，具体而言涉及一种多焦面光学成像系统。

背景技术

在常见的近眼显示系统中，多为通过光源呈现的单一焦面系统。由于呈现的像仅有一个焦面，当观看者观看时，仅能聚焦在这一焦面上，长时间的观看将不符合人眼的自然观察状态，由此将造成用户的视觉疲劳。对于增强实现显示而言，单一焦平面无法为观看者带来良好的视觉体验；此外，由于焦平面距离固定，也无法调节用眼，易导致近视。

实用新型内容

本公开正是基于现有技术的上述需求而提出的，本公开要解决的技术问题是提供一种多焦面光学成像系统以提供多焦距图像提升使用体验。

为了解决上述问题，本公开提供的技术方案包括：

提供了一种多焦面光学成像系统，包括：第一光路，由第一光源发出光线穿过偏振分光片后，经过第一透镜组的折射形成；所述第一光源朝向第一方向设置且发出P偏振光，所述偏振分光片的第一面与所述第一光源相对设置，所述第一透镜组与所述偏振分光片相对设置；第二光路，由第二光源发出的光线通过偏振分光片反射后，经过第一透镜组的折射形成，所述第二光源朝向第二方向设置且发出S偏振光，所述偏振光的第二面与所述第二光源相对设置。

如此设置使得第一光源和第二光源共用部分的光学器件以节省空间布局，此外，设置同一光学器件将对不同的光源进行不同的光线处理，从而改变光源的成像路径，使得两个光源最终形成的像具有不同的焦距，以能够有效避免当人眼长时间注视具有固定且单一的焦距时产生的视觉疲劳，此外，当具有两个不同的焦距时，能够共同作用产生离焦刺激，以有效防控和缓解近视。

优选的，所述偏振分光片设置在所述第一光源朝向方向和所述第二光源朝向方向的交汇处。

通过上述设置以能够使得第一光源的光线和第二光源的光线均能够入射到偏振分光片上，根据入射光线的不同性质进行不同的处理。

优选的，所述多焦面光学成像系统还包括棱镜，所述偏振分光片设置在所述棱镜中。

通过设置棱镜以在不对光线的传播产生较大的影响的条件下，将偏振分光片固定，且时刻保持偏振分光片处于平展的状态，进而能够保证画面亮度保持均匀。

优选的，所述棱镜包括子棱镜，所述偏振分光片由多个子棱镜夹持设置。

通过夹持的方式使得偏振分光片处于稳定状态。

优选的，所述多焦面光学成像系统还包括：第二透镜组，所述第二透镜组设置在所述偏振分光片和所述第一光源之间。

在第二光源和偏振分光片之间设置第二透镜组以改变第二光源的光线，能够使得在其他条件不变的情况下，保证更多的光线入射至偏振分光片上，以提高第二光源的光线利用率，减少光线耗损，保证最终成像的图像亮度。

优选的，所述多焦面光学成像系统还包括：第三透镜组，所述第三透镜组设置在所述偏振分光片和所述第一光源之间。

在第一光源和偏振分光片之间设置第三透镜组以改变第一光源的光线，能够使得在其他条件不变的情况下，保证更多的光线入射至偏振分光片上，以提高第一光源的光线利用率，减少光线耗损，保证最终成像的图像亮度。

优选的，所述偏振分光片倾斜设置，与所述第一光源成第一范围的夹角；与所述第二光源成第二范围的夹角。

如此设置以使得第一光源和第二光源均能入射到偏振分光片上，以共用，节省布局空间。

优选的，所述第一范围的夹角包括40°-50°；所述第二范围的夹角包括40°-50°。

通过上述设置以保证第一光源的光线和第二光源的光线均能够入射到偏振分光片上，此外，还能够保证第一光源经过多焦面光学系统后的光线和第二光源经过多焦面光学系统后的光线都能够在出瞳位置处交汇，以保证观看者在出瞳位置能够看到分别经过第一光源和第二光源后形成的像。

优选的，所述第一方向与所述第二方向相垂直。

通过上述设置能够使得第一光路和第二光路的光线经过光学系统之后在出瞳位置交汇，进而能够供使用者在出瞳位置看到不同焦距的像。

与现有技术相比，本实用新型设置多个光源，并通过对多个光源的位置以及发出光线性质的设置以使得多个光源在同一个光学系统中具有两种不同的光线传播路径，进而使得最后的成像具有多个不同的焦距；此外，设置第一透明组以盖板对经由偏振分光片处理后射出的光线的路径，以交汇在出瞳位置，可以使得观看者在同一观看位置能够同时看到不同焦距的像，能够通过控制不同光源的显示在一定程度上缓解或抑制近视，用于VR或AR上，能够保证虚拟和显示的自然结合。

附图说明

为了更清楚地说明本说明书实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本说明书实施例中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例中的一种多焦面光学成像系统示意图；

图2为本实用新型实施例中的第一光路示意图；

图3为本实用新型实施例中的第二光路示意图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本公开实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接可以是机械连接，也可以是电连接可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本公开中的具体含义。

全文中描述使用的术语“顶部”、“底部”、“在……上方”、“下”和“在……上”是相对于装置的部件的相对位置，例如装置内部的顶部和底部衬底的相对位置。可以理解的是装置是多功能的，与它们在空间中的方位无关。

为便于对本申请实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例做进一步的解释说明，实施例并不构成对本申请实施例的限定。

本实施例提供了一种多焦面光学成像系统，如图1-图3所示。

所述多焦面光学成像系统包括光源、偏振分光片以及第一透镜组3。

光源，包括第一光源101和第二光源102，所述第一光源101和第二光源102可以为屏幕，即能够显示图像。所述第一光源101朝向第一方向设置，并发出P偏振光，可以将LCD液晶显示器作为第一光源101。所述第二光源102朝向第二方向设置，并发出S偏振光，所述第二光源102相较于第一光源101具有更高的像素密度。第二光源102可以是Micro OLED，Micro LED，LCOS等，当第二光源102发出的光线不是偏振光或不是S偏振光时，能够通过贴膜等处理方式改变光线以使经过处理后的光为S偏振光。

偏振分光片，以能够供P偏振光透过，且反射S偏振光。所述偏振分光片设置在所述第一光源101朝向方向和所述第二光源102朝向方向的交汇处，所述偏振分光片的第一面与所述第一光源101相对设置，所述偏振分光片的第二面与所述第二光源102相对设置。具体而言，偏振分光片与第一光源101所在平面成第一范围的夹角，且与第二光源102所在平面成第二范围的夹角。

进一步的，所述偏振分光片与所述第一光源101所在平面所成的锐角范围为40°-50°；所述偏振分光片与所述第二光源102所在平面所成的锐角范围为40°-50°。

优选的，所述偏振分光片与所述第一光源101所在平面和所述第二光源102所在平面形成的锐角为45°。

通过上述设置以保证第一光源101的光线和第二光源102的光线均能够入射到偏振分光片上，此外，还能够保证第一光源101经过多焦面光学系统后的光线和第二光源102经过多焦面光学系统后的光线都能够在出瞳8位置处交汇，以保证观看者在出瞳8位置能够看到分别经过第一光源101和第二光源102后形成的像。

第一透镜组3，包括透镜，所述透镜与所述偏振分光片相对地设置。设置透镜的目的在于改变光线的传播路径，并在出瞳8位置交汇。根据光学元件的位置设置透镜的形状和位置，第一透镜组3可以仅为一个透镜，也可以包括多个透镜。透镜设置为球面或非球面透镜，材质为光学树脂或可模压玻璃，优选的材质应为低应力的光学树脂非球面或光学玻璃非球面，以减少透镜组镜片的数量，保证光线传输过程中的偏振态稳定。

基于上述光学器件形成的系统，第一光源101将沿第一光路进行传播，第二光源102将沿第二光路进行传播。所述第一光路包括：由所述第一光源101发出的光线入射至偏振分光片上，由于第一光源101发出P偏振光，P偏振光将穿过所述偏振分光片入射至第一透镜组3，经过第一透镜组3的透射改变路径以在出瞳8位置交汇。所述第二光路包括：由于第二光源102发出S偏振光，S偏振光入射至偏振分光片时将发生反射，改变光线路径使其入射至第一透镜组3上，经过第一透镜组3的透射改变路径使其也在出瞳8位置交汇。

进一步的，所述多焦面光学系统还包括棱镜4，所述偏振分光片设置在所述棱镜4中。具体而言，所述棱镜4包括多个子棱镜401，偏振分光片在多个子棱镜401的夹持作用下设置。示例性的，所述棱镜4包括呈上下放置的两个子棱镜401，位于上方的子棱镜401的上表面和位于下方的子棱镜401的下表面与第二光源102所在平面平行，上下两个子棱镜401靠近所述第一光源101的一面与所述第一光源101所在平面平行，而设置在二者中部的偏振分光片在两个子棱镜401的夹持下倾斜设置。两个子棱镜401能够固定偏振分光片的位置的同时，保证偏振分光片稳定的处于平整的状态。当偏振分光片的效率较高时，光源发出的光线经过棱镜4后，其均匀性基本不会发生变化。

所述多焦面光学系统还包括第二透镜组5，所述第二透镜组5设置在所述第二光源102与所述偏振分光片之间。当第二光源102发出光线时，在第二透镜502组5的引导下，能够改变光线的传播角度；此外，在其他条件不变的情况下，能够使得更多的光线入射至偏振分光片上，以提高第二光源102的光线利用率，即当第二光源102不经过第二透镜组5而入射至偏振分光片上时，其传播路径均呈直线，使得一部分光线将射入至外界环境中，当第二光源102经过第二透镜组5时，其传播路径在第二透镜组5的作用下，能够将直线传播时部分射入至外界环境中的光线进行折射以使其入射至偏振分光片上，进而实现光线利用率的提高。

所述多焦面光学系统还包括第三透镜组6，所述第三透镜组6设置在所述第一光源101与所述偏振分光片之间。与设置第二透镜组5相同，设置第三透镜601的目的同样是为了提高光线利用率。

通过对各个光学器件的性质和材质等的设置，以使得整个系统占有较小的空间，即本实施例能够在有限的空间内呈现具有多个焦面的像。

在本实施例的一个实施方式中，如图1-图3所示，所述第一光源101发出的P偏振光，所述第二光源102发出S偏振光，第一光源101朝竖直向上的方向设置，第二光源102朝水平向左的方向设置。偏振分光片设置在第一光源101发出的光线路径和第二光源102发出的光线路径的交界处，向右向下倾斜，并与水平方向呈45°夹角设置，偏振分光片的上表面为第一面，下表面为第二面，第一光源101与第一面相对设置，第二光源102与第二面相对设置。偏振分光片由上下两个子棱镜401夹持设置，棱镜为玻璃材质，优选的可以采用HK9材料。在第二光源102与位于下方的子棱镜401之间设置有第二透镜组5，包括由下至上设置的第一透镜501和第二透镜502；在第一光源101与棱镜4之间设置有第三透镜组6，包括第三透镜601；在棱镜4的左侧设置有第一透镜组3，包括第四透镜301。上述所涉及的光学器件的属性如表1-表4所示，其中表1和表2为第一光源101光线传播过程涉及的光路系统参数，表3和表4为第二光源102光线传播过程中涉及的光路系统参数。

表1：

器件表面

面型

曲率半径

厚度

折射率

阿贝数

Alpha倾斜

出瞳

光阑

/

10

/

/

/

第四透镜左侧面

偶次非球面

60.41

2.25

1.49

57.5

/

第四透镜右侧面

菲涅尔非球面

-22.58

1.18

/

/

/

棱镜左侧面

球面

无限

10

1.52

64.2

棱镜右侧面

球面

无限

1.18

/

/

第三透镜左侧面

偶次非球面

19.09

5.26

1.54

56.2

/

第三透镜左侧面

偶次非球面

29.01

12.35

/

/

/

第一光源

球面

无限

/

/

/

/

表2：

菲涅尔非球面中各个环带的矢高均为0.1mm。

表3：

表4：

上述表面中，面型为球面的表面满足方程：其中，c为曲率半径的倒数，r为表面上一点的径向距离。

构成为非球面的表面满足方程：c为曲率半径的倒数，r为表面上一点的径向距离，k为二次曲面常数，A_i为高阶项系数。

如图2所示，第一光源101发出的光线首先穿过第三透镜601，通过第三透镜601调整光路后，入射至棱镜4中，由于第一光源101发出P偏振光，由此穿过偏振分光片，并通过第四透镜301改变光路，并在出瞳8位置交汇，最终形成焦平面在第一位置的第一像。第一发光源经过光路后的焦距约为20mm～30mm。

如图3所示，第二光源102发出的光线依次通过第一透镜501和第二透镜502以调整传播路径，并闯过位于下方的棱镜4入射到偏振分光片上，由于第二光源102发出S偏振光，当S光抵达第二面时，进行反射，反射出的光线依次通过第四透镜301改变传播光路，光线在出瞳8位置交汇，形成校平面在第二位置的第二像。第二发光源经过光路后的焦距约为15mm～21mm。

通过上述设置以能够在有限的空间内使用较少的光学器件实现多焦面的成像，在节省空间和节约成本的同时满足成像需求。

以上所述的具体实施方式，对本申请的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本申请的具体实施方式而已，并不用于限定本申请的保护范围，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种多焦面光学成像系统，其特征在于，包括：

第一光路，由第一光源发出光线穿过偏振分光片后，经过第一透镜组的折射形成；所述第一光源朝向第一方向设置且发出P偏振光，所述偏振分光片的第一面与所述第一光源相对设置，所述第一透镜组与所述偏振分光片相对设置；

第二光路，由第二光源发出的光线通过偏振分光片反射后，经过第一透镜组的折射形成；所述第二光源朝向第二方向设置且发出S偏振光，所述偏振光的第二面与所述第二光源相对设置。

2.根据权利要求1所述的多焦面光学成像系统，其特征在于，所述偏振分光片设置在所述第一光源朝向方向和所述第二光源朝向方向的交汇处。

3.根据权利要求1所述的多焦面光学成像系统，其特征在于，

所述多焦面光学成像系统还包括棱镜，所述偏振分光片设置在所述棱镜中。

4.根据权利要求3所述的多焦面光学成像系统，其特征在于，

所述棱镜包括子棱镜，所述偏振分光片由多个子棱镜夹持设置。

5.根据权利要求1所述的多焦面光学成像系统，其特征在于，所述多焦面光学成像系统还包括：第二透镜组，所述第二透镜组设置在所述偏振分光片和所述第二光源之间。

6.根据权利要求1所述的多焦面光学成像系统，其特征在于，所述多焦面光学成像系统还包括：第三透镜组，所述第三透镜组设置在所述偏振分光片和所述第一光源之间。

7.根据权利要求1所述的多焦面光学成像系统，其特征在于，

所述偏振分光片倾斜设置，与所述第一光源成第一范围的夹角；与所述第二光源成第二范围的夹角。

8.根据权利要求7所述的多焦面光学成像系统，其特征在于，

所述第一范围的夹角包括40°-50°；

所述第二范围的夹角包括40°-50°。

9.根据权利要求1所述的多焦面光学成像系统，其特征在于，所述第一方向与所述第二方向相垂直。